Collaboration entre le CERN et le CEA sur les développements des futurs aimants

supraconducteurs du LHC

Réunion FCC

Antoine Daël

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Collaborations existantes CERN-CEA sur les aimants supraconducteurs

• Contribution historique aux quadripôles LHC• Programmes européens : CARE , EuCARD , EuCARD2• Contribution Exceptionnelle de la France 2009-2013• Le CERN et le CEA ont déjà réalisé ensemble:

– Les bobines MQXC– Les 10 tubes d’inertie de rechange de SSS– L’outillage et les essais de bobinage Fresca2– L’achat et la qualification de 60 km de brin

Nb3Sn– Les mesures thermiques micro canaux– Etc…

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Poursuite et pérennisation de ce programme de développement :

• La Stratégie européenne ouvre de très riches perspectives• Le CERN souhaite s’appuyer sur les Instituts Nationaux• Les technologies d’aimants supraconducteurs nécessitent un

engagement soutenu et à long terme.• Il faut poursuivre toutes les études et réalisations entamées (qui ne

sont pas encore complétées) et engager des nouvelles études pour les futurs accélérateurs du CERN

• Il faut employer tous les investissements matériels et humains qui existent et qui résultent des précédents programmes

• le CERN et le CEA ont défini en commun un programme d’une durée de 3 ans couvrant :

• des études théoriques et expérimentales • des constructions de prototypes • des constructions de séries d’aimants supraconducteurs.

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Liste des 7 Workpackages et perspectives

Designation Description

WP1 Études thermiques

WP2 Quadripôles Q4 pour HL-LHC

WP3 Construction et participation au test de l’aimant FRESCA2

WP4 Développements technologiques pour le Nb3Sn

WP5 Construction et participation au test de l’insert HTS

WP6 Études pour les aimants à haut champ (HTS)

WP7 Étude de la mécanique du câble Rutherford

Perspectives Tâches non évaluées, susceptibles de prolonger les workpackages

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WP1 : Études thermiques: CEA : Bertrand BaudouyCERN : Rob Van Weelderen

La marge d’opération des aimants LHC et HL-LHC dépend d’un transfert efficace et connu de chaleur• Études de transfert thermique dans les

milieux poreux• Études de la thermohydraulique des

aimants d’accélérateurs• Mesures de propriétés thermomécaniques

de matériaux• Mesures de transfert thermique au travers

des isolants électriques

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WP2 : Quadripôles Q4 pour HL-LHC

CEA : Michel SegretiCERN : Ezio Todesco

Le faisceau HL-LHC demande des quadripôles à grand diamètre et double ouverture, ce qui est dans l’expertise historique du CEA• Etude, réalisation et test d’un modèle court à

une ouverture• Etude, réalisation et test d’un modèle de

masse froide courte à 2 ouvertures• Etude de la masse froide complète à intégrer

dans l’anneau LHC• Transfert de technologie vers l’industrie avec

réalisation d’un prototype de masse froide à 2 ouvertures

• Suivi de réalisation industrielle de 5 masses froides avec contrôleur permanent en usine

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WP3 : Aimant Fresca2 CEA : Françoise RondeauxCERN : Paolo Fessia

L’activité EuCARD et la CEF 2009-2013 ont préparé la technologie et le conducteur nécessaires à la construction de l’aimant à large ouverture Fresca2• Bobinage des bobines de l’aimant Fresca2 • Participation à l’assemblage et aux tests de l’aimant.

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WP4 : Développements technologiques pour le Nb3Sn

CEA : Maria DuranteCERN : Paolo Fessia

• Détermination du comportement du composite Nb3Sn lors du traitement thermique de formation du composé supraconducteur

• Préparation d’échantillons pour mesures des propriétés mécaniques

• Mesures des propriétés mécaniques

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WP5 : Insert HTc de EuCARD CEA : Mélanie DevauxCERN : Gijs de Rijk

EuCARD a préparé le concept et le conducteur pour un insert de 6T à tester dans Fresca2• Fabrication d’un prototype et test en champ

de direction variable• Réalisation de l’insert « 6T »• Test de l’insert seul• Participation aux tests dans un dipôle

fournissant un champ externe de 13 T

20 mm

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WP6 : Études pour les aimants à haut champ

CEA : Philippe FazilleauCERN : Gijs de Rijk

EuCARD2 a comme objectif un modèle court d’aimant HTS avec qualité accélérateur (5 T, 40 mm) en complément a ce développement:• Étude de matériaux de structure• Étude du couplage avec un aimant

fournissant le champ magnétique externe

• Étude de la protection des aimants couplés

• Test de l’insert EuCARD2 en champ externe (15 T)

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Une des configurations possibles pour l’aimant HTS EuCARD2

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WP7 : Étude mécanique de câbles Rutherford

CEA : Pierre ManilCERN : Amalia Ballarino

Comprendre la mécanique du câbles « Rutherford » est vital pour assurer la performance du Nb3Sn, matériau fragile avec une faible plage de contrainte permise• Modélisation par éléments finis de câble “Rutherford”• Mesures mécaniques sur brin• Mesures mécaniques sur câble• Tomographies pour comparaison avec le modèle

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Perspectives

• Etude et réalisation d’un nouvel aimant en Nb3Sn en complément de WP3, au delà de Fresca2 et dans la perspective HE-LHC

• Poursuite des études mécaniques sur câble Rutherford, en complément de WP7

• Développements de la technologie (supra, mécanique, isolation, protection) pour aimants à haut champ (16T à 20T) en vue des futurs accélérateurs HE-LHC et VHE-LHC

• Développements pour aimants à faible champ (0.6T) en vue d’une étape intermédiaire type T-LEP

• 2ème aimant Q4 de réserve (si le prototype n’est pas utilisable comme rechange)

• Etc…..

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Etat des lieux

• L’Irfu SACM a défini des « cœurs de métier » dans le domaine des aimants d’accélérateur :– Conception magnétique + conception mécanique– technologie de bobinage– Quench et protection– Tests des aimants supraconducteurs: La reconstitution de la

station d’essais d’aimants d’accélérateurs me parait primordiale• Financement de tout le matériel par le CERN: composants,

outillages, fluides , fournitures industrielles , consommables et hélium liquide.

• Financement du personnel SACM et SIS à 50% par le CERN • La statut de ces activités diffère de celui d’autres activités à l’IRFU.

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Commentaires et conclusions

• La principale difficulté pour l’Irfu SACM est de mettre en place et de renforcer les équipes pour réaliser les programmes existants

• Il ne sert à rien de charger encore la barque du SACM• Une réflexion va être lancé pour renforcer l’activité « supra

chauds » dans le cadre de H2020: un programme d’accompagnement du prototype 5 teslas sera l’axe privilégié.

• La technologie des aimants à fort champ (HFM) est à l’évidence l’enjeu majeur des projets FCC et mérite un fort soutien.

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Bonsoir Philippe,Suite à ton message concernant le FCC , voici ma réponse :Le CERN a proposé des Expressions d’Intérêt en juin 2014. Il me semble que pour les thèmes portés par le SACM , ces expressions d’intérêt pourraient concerner les quatre points suivants :Aimants d’Accélérateur.Dynamique faisceau.Aimants de détecteurs.Cryogénie et estimations financièresSur ces quatre points la synergie avec le SIS et une réflexion commune avec le SPP seront naturellement des ressorts indispensables. Le CSTS du SPP en juin ma parait être l’instance ad hoc pour susciter les propositions et mobiliser les jeunes générations.